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        薄基巖區(qū)頂板高水壓工作面安全開采技術(shù)應(yīng)用研究

        2020-01-17 06:47:22段志鴻
        煤礦現(xiàn)代化 2020年1期
        關(guān)鍵詞:防砂導(dǎo)水突水

        段志鴻

        (霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司地質(zhì)處 ,山西 方山 033100)

        1 工程概況

        霍州煤電集團(tuán)店坪煤礦位于山西省呂梁地區(qū)方山縣西南約30km處大武鎮(zhèn)水源村—楊家塔村—木瓜里村一帶,該礦現(xiàn)階段主要進(jìn)行5#、9#煤層的開采,5#煤層厚度在2.6~3.0m之間,工作面范圍內(nèi)煤層較穩(wěn)定,含有兩到三層夾矸,夾矸多為砂質(zhì)泥巖,厚度在0.2~0.35m之間,為井田內(nèi)穩(wěn)定可采煤層。煤層傾角為6~8°,屬于緩傾斜煤層。煤層頂板為砂巖,底板為砂質(zhì)泥巖,煤(巖)層賦存特征見表1。

        表1 頂?shù)装鍘r性特征表

        即將進(jìn)行回采的5-211工作面位于該礦東部的二盤區(qū),工作面北部與回風(fēng)大巷相鄰,東側(cè)為5-207工作面采空區(qū),西側(cè)為未采掘的5-209工作面,5-211工作面采用走向長壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤工藝。采用頂板仰上孔探測和三維地震勘探技術(shù),分析5-211工作面上覆巖層的基巖厚度和頂板松散巖層的富水性,基巖厚度等值線對比圖如圖1所示,5-211工作面具有煤層埋深淺,基巖薄的特點,工作面開采過程中面臨較大的突水潰砂等事故的威脅,為對5-211工作面水體下采煤進(jìn)行綜合的安全性評價,確保工作面的安全開采展開相關(guān)的研究。

        圖1 5-211工作面頂板物探與鉆探成果對比圖

        2 突水潰砂原因分析

        店坪煤礦5-207工作面回采過程中,頂板出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的突水潰砂現(xiàn)象,根據(jù)現(xiàn)場對頂板巖層探測鉆孔的資料,發(fā)生該現(xiàn)象的位置基巖厚度一般為25~30m,在鉆孔鉆進(jìn)過程中,松散層底部的土層強(qiáng)度很低,該出砂區(qū)域為砂礫“天窗區(qū)”。5-207工作面采高約為3m,根據(jù)設(shè)計規(guī)程的要求計算防砂安全煤柱厚度為[1~2]:

        式中:Hs為防砂安全煤(巖)柱厚度,單位:m;Hm為垮落帶高度,單位:m;Hb為保護(hù)層厚度,單位:m;

        圖2 防砂安全煤(巖)柱計算模型

        防砂安全煤(巖)柱計算模型如圖2所示,采用《“三下”采煤規(guī)程》中硬覆經(jīng)驗公式計算得到5#煤層開采垮落帶的高度為9.06m,保護(hù)層的厚度取三倍的采高為9m,所以Hs=19.06m,5-207工作面實際生產(chǎn)過程中留設(shè)的防砂煤柱厚度為20m,仍發(fā)生了突水潰砂事故,由此說明,原防砂安全煤(巖)柱厚度的確定方法在楔形保水壓結(jié)構(gòu)下適用效果很差。

        根據(jù)經(jīng)驗公式[3],5-207工作面開采頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為29.8m,導(dǎo)水裂縫帶高度大于突水潰砂區(qū)域的基巖厚度,由于工作面的采動影響,楔形保水壓結(jié)構(gòu)中的高壓含水層內(nèi)的水沿導(dǎo)水裂隙攜帶沙粒涌入工作面,因此防砂安全煤(巖)柱的穩(wěn)定性受到頂板高壓水的影響。防砂安全煤巖柱由頂板垮落帶和保護(hù)層組成,其中保護(hù)層的穩(wěn)定性是工作面防止發(fā)生潰砂的安全保障,對阻水阻砂起著關(guān)鍵的作用,若導(dǎo)水裂隙帶將保護(hù)層貫穿后,高水壓滲流作用使風(fēng)化泥巖的采動裂縫瞬間得以擴(kuò)展,當(dāng)裂隙擴(kuò)展到一定的程度,保護(hù)層完全失穩(wěn),繼而導(dǎo)致工作面發(fā)生突水潰砂事故,因此頂板高壓水的工作面開采時,防砂安全煤(巖)柱的厚度應(yīng)充分考慮頂板導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育情況,確保防砂安全煤(巖)柱的穩(wěn)定性。

        3 覆巖破壞數(shù)值模擬分析

        為更加合理的確定5-211工作面高壓水體下采煤安全煤(巖)柱的厚度,根據(jù)該工作面詳細(xì)的地質(zhì)條件,采用離散元模擬軟件[4~5]對薄基巖區(qū)工作面回采時上覆巖層的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究,建立如圖3所示的數(shù)值模型,模型尺寸:長×寬×高=200×300×120m,煤層厚度為3m,覆巖厚度為100m,根據(jù)工作面埋深的實際情況在上部施加3.5MPa的均布載荷,模型上邊界為自由邊界,下部邊界為固定邊界,垂直方向上位移為0,兩側(cè)的邊界x方向為固定鉸支座,y方向無位移約束。模擬過程:工作面每推進(jìn)10m平衡一次,共模擬開挖120m。

        圖3 數(shù)值模型

        圖4 覆巖位移垮落模擬結(jié)果

        由于篇幅所限,僅將典型的模擬結(jié)果展示在圖中,由模擬結(jié)果可以看出,當(dāng)工作面回采20m時,直接頂破碎垮落,老頂發(fā)生初次斷裂,老頂破斷形成“短砌體梁”結(jié)構(gòu),工作面出現(xiàn)較為顯著的來壓現(xiàn)象;工作面推進(jìn)40m時,采空區(qū)上覆巖層的垮落高度和垮落范圍明顯增大,失穩(wěn)巖體的邊界初次出現(xiàn)較小的“馬鞍”型,老頂周期性破斷形成規(guī)則的塊體,沙土層出現(xiàn)較大的變形,呈臺階狀下沉;當(dāng)工作面推進(jìn)80m時,覆巖破壞形成的”馬鞍”型變得明顯,頂板巖層進(jìn)一步位移,頂板巖層的破壞高度達(dá)到34m;工作面推進(jìn)至120m時,上覆巖層呈馬鞍型破壞范圍增大,導(dǎo)水裂縫帶高度與工作面回采80m時基本相同,巖層移動角為75°左右,覆巖的破壞范圍在采空區(qū)前后邊界附近達(dá)到最大,導(dǎo)水裂隙帶高度約為35m。

        4 高水壓下工作面安全開采技術(shù)

        根據(jù)以上研究可知,導(dǎo)致回采工作面發(fā)生突水潰砂事故的主要原因為頂板巖層內(nèi)的高壓水及工作面回采導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育,店坪煤礦5-211工作面回采過程中,由以上兩點出發(fā),對高水壓防砂安全煤(巖)柱的失穩(wěn)進(jìn)行防治。5-211工作面回采巷道掘進(jìn)過程中,上、下順槽每間隔100m布置一個鉆場,對頂板基巖厚度及涌水情況進(jìn)行探查,根據(jù)模擬分析的結(jié)果,頂板巖層基巖的厚度應(yīng)當(dāng)大于等于35m,當(dāng)基巖厚度達(dá)到該要求時,每個鉆場施工2~3個鉆孔對上覆巖層內(nèi)的高壓水進(jìn)行疏放;當(dāng)基巖厚度小于35m時,加強(qiáng)頂板的探測和高壓水的疏放,探測孔終孔間距小于等于30m,每個鉆場根據(jù)實際情況適當(dāng)?shù)脑黾犹讲榭椎臄?shù)量,鉆孔的布置詳情如圖5所示。

        圖5 5-211工作面頂板探查孔布置示意圖

        5-211工作面局部區(qū)域基巖厚度小于30m,僅通過工作面疏水降壓并不能完全避免工作面突水潰砂的威脅,在此區(qū)域采用限厚開采技術(shù),正常回采階段,工作面采高為3.0m,在基巖變薄區(qū)域工作面采高為2..2m,限厚開采的范圍如圖6所示,工作面推進(jìn)過程中,嚴(yán)格執(zhí)行工作面探放水、開采技術(shù)和防水防砂安全等措施,最終完成了整個工作面的安全高效回采,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

        圖6 5-211工作面限厚開采范圍

        5 結(jié)論和建議

        根據(jù)店坪煤礦5-211工作面頂板仰上孔探測和三維地震勘探結(jié)果,5-211工作面頂板巖層基巖的厚度在20~35m之間,工作面回采面臨較大的頂板突水潰砂的威脅,通過理論分析和數(shù)值模擬得知,工作面突水潰砂的主要由于頂板巖層內(nèi)的高壓水和工作面回采形成的導(dǎo)水裂隙帶,因此,5-211工作面回采前對頂板高壓水進(jìn)行超前探放,在基巖變薄帶通過限高開采(采高2.2m)來控制導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度,最終實現(xiàn)了5-211工作面的安全高效開采,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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